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    Misurare temperature simili a quelle che si verificano nelle collisioni stellari in laboratorio

    Simulazioni di materia nucleare in collisioni in condizioni estreme di densità e temperatura. Credito:La collaborazione HADES.

    Le collisioni tra stelle di neutroni sono affascinanti eventi cosmici che portano alla formazione di numerosi elementi chimici. Le temperature durante queste collisioni sono esponenzialmente alte, tipicamente raggiungendo centinaia di miliardi di gradi Celsius.

    La collaborazione HADES, un grande team di ricercatori che lavorano in diverse università in tutto il mondo, ha recentemente raccolto la primissima misurazione della radiazione elettromagnetica termica prodotta durante le collisioni stellari, nota come radiazione del corpo nero, in un ambiente di laboratorio. Il loro studio, delineato in un articolo pubblicato su Fisica della natura , ha portato all'osservazione di temperature di circa 800 miliardi di gradi Celsius, paragonabili a quelli che si verificano durante le collisioni stellari.

    "Nel nostro studio, abbiamo frantumato nuclei (ad esempio nuclei d'oro) a energie relativistiche a testa alta, "Gioacchino Stroth, portavoce della collaborazione HADES, ha detto a Phys.org. "Questo produce forme di materia in condizioni che normalmente non esistono. Solo le stelle di neutroni raggiungono tali densità (o anche superiori) e quando le stelle di neutroni si fondono, la loro temperatura può arrivare fino a quella del nostro esperimento. Ecco perché possiamo formare un tipo di materia cosmica in laboratorio".

    Nel loro studio, Stroth ei suoi colleghi hanno utilizzato il sistema di rilevamento HADES presso il centro di accelerazione GSI/FAIR a Darmstadt per raccogliere nuove informazioni sulle collisioni di due nuclei pesanti a energie relativistiche. Ciò ha permesso loro di raccogliere osservazioni di laboratorio approfondite sulle proprietà microscopiche di stati della materia di tipo cosmico.

    I ricercatori hanno creato specificamente la materia della cromodinamica quantistica (QCD) come stato transitorio facendo scontrare ioni pesanti a energie relativistiche. Questo tipo di materia può esistere in diverse fasi a seconda di una serie di fattori, compresa la temperatura, pressione e potenziale bariochimico.

    Osservando gli stati della materia QCD, i ricercatori speravano di ottenere una migliore comprensione della materia stellare dei neuroni e delle collisioni. Una domanda chiave che si proponevano di indagare era se i costituenti dei nuclei, che sono essenzialmente gli elementi costitutivi della materia, possono cambiare le loro proprietà in condizioni estreme.

    "Abbiamo misurato la radiazione elettromagnetica emessa dalle palle di fuoco formatesi nella collisione, " ha spiegato Stroth. Questa radiazione può dirci molto sulle proprietà dei costituenti. Tuttavia, questa è una misura difficile da raggiungere, poiché le palle di fuoco vivono per un tempo molto breve (10 -22 s) e la radiazione viene emessa raramente."

    Gli adroni sono particelle composite composte da tre quark (barione) di un antiquark e un quark (mesone) tenuti insieme dalla forza forte. Quando queste particelle decadono, a volte producono fotoni virtuali, che sono fotoni che non possono essere rilevati direttamente perché la loro esistenza viola la conservazione dell'energia e della quantità di moto.

    Questi fotoni virtuali, che trasportano tutte le informazioni sulle particelle subatomiche decadute, decadono immediatamente anche in coppie di elettroni (cioè un elettrone e un positrone). Nel loro studio, Stroth e i suoi colleghi hanno rilevato queste particelle utilizzando uno spettrometro.

    "Abbiamo osservato che la temperatura nella zona di collisione può raggiungere gli 800 miliardi di gradi e la densità può raggiungere il triplo della densità di saturazione nucleare, "Stroth ha detto. "Troviamo che in tali condizioni gli elementi costitutivi della materia sono sostanzialmente modificati. Ciò significa anche che le proprietà della materia sono molto diverse, come se gli elementi costitutivi conservassero semplicemente le loro proprietà."

    La collaborazione HADES è il primo team di ricerca a misurare con successo temperature simili a quelle che si verificano durante le collisioni di stelle in un ambiente di laboratorio. Le scoperte di questo team potrebbero migliorare significativamente l'attuale comprensione scientifica degli eventi di fusione di stelle di neutroni, allo stesso tempo gettando luce sulla produzione di materia da quark elementari e gluoni.

    "Stiamo attualmente costruendo un esperimento successore per HADES che sarà gestito presso la nuova struttura FAIR a partire dal 2025, " ha detto Stroth. "Con questo rivelatore saremo in grado di estendere le misurazioni a temperature e densità più elevate".

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